研究简介:本研究探讨了氢分子（H₂）在体外改善受损人类精子活力的潜力。精子活力是男性生育力的关键，弱精子症常由氧化损伤或ATP耗竭引起。氢分子能选择性中和毒性自由基，并快速穿透线粒体膜发挥保护作用。研究使用接受试管婴儿治疗患者的样本，包括室温放置>5天诱导的实验性损伤精子，以及冷冻-解冻精子。处理时采用含50% H₂的混合气体或含氢培养基，并以氮气作为对照。结果显示，H₂处理30-40分钟可使高损伤精子的前向运动率从3.6%显著提升至16.8%，而氮气无效。H₂未提高游动速度，即未诱发超激活。在存活率>20%的精子中，16/17例活力显著改善；在近乎坏死组，也有3例出现微弱摆动。撤去H₂后，提升的活力可维持2.5小时，24小时后再次处理可再度回升。机制上，H₂增强了线粒体膜电位，提示其通过改善线粒体功能促进ATP合成。在临床相关的冷冻-解冻精子中，低活力组（前向运动率<50%）经50% H₂处理后活力显著提升，86.7%的样本有效，但100% H₂浓度反而无效，提示存在最佳浓度窗口。结论指出，H₂处理能安全有效地刺激低活力精子，有望成为男性不育治疗的新工具，后续需进一步验证其受精能力与安全性。


Unisense氢气微电极的应用


将100 μL精子悬液置于培养皿中放入体积约5 L的暴露舱，通入含5% CO₂、20% O₂、50% H₂、25% N₂的混合气体（对照组为含75% N₂的混合气），气体流量为1 L/min，约5 min达到设定浓度；为了确认精子悬液确实被混合气体所饱和，研究人员使用丹麦Unisense公司生产的针型传感器（needle-type sensors）实时监测悬液中的H₂和O₂浓度 。该设备的微米级空间分辨率和秒级响应能力使其能够对液相中的气体浓度进行高灵敏度、原位、非破坏性的实时检测。通过确认悬液充分饱和，它确保了每次处理的气体条件一致，排除了浓度波动干扰，为后续精子前向运动率提升、游动速度不变、线粒体膜电位增强等生物学效应提供了可靠的定量基础。Unisense微电极所获取的H₂/O₂浓度数据是连接氢气物理浓度与后续观察到的精子前向运动率提升、游动速度不变、线粒体膜电位增强等生物学响应之间的关键桥梁，它强化了氢分子处理的可重复性和转化价值，使得"H₂处理能选择性刺激低活力精子运动而不诱发超激活"这一核心结论具备坚实的方法学支撑。


实验结论


氢分子（H₂）处理能够有效激活受损人类精子的低活力状态，有望成为治疗男性不育的新型手段。实验证实，对于室温长期放置造成的实验性损伤精子，H₂处理30–40分钟可使其前向运动率从平均3.6%显著提升至16.8%，且该作用具有特异性（氮气无效）和非超激活特征（不改变游动速度）。机制研究表明，H₂通过增强线粒体膜电位，可能促进了ATP合成，从而改善精子运动能力。在效果维持方面，撤去H₂后提升的活力可在空气中保持至少2.5小时，且24小时后再次处理仍能重新激活。对于临床相关的冷冻-解冻精子，含50% H₂的培养基能显著改善低活力（弱精子症）样本的活力，有效率高达86.7%，但过高浓度（100% H₂）反而无效。总之，H₂凭借其安全、副作用小的抗氧化特性，是刺激低活力精子运动的有力工具，未来需进一步评估其在IVF/ICSI中的受精能力与安全性。

图1、氢气处理对人精子活力的影响。受损精子悬液（n = 35）未处理或分别用H₂和N₂混合气体处理40分钟（a）。另一组精子悬液（n = 12）分别在指定时间下用H₂混合气体处理（b）。数据以均值±标准差（SD）表示。

图 2、(A) 2-DG对HP丙酮酸糖酵解及代谢通量的抑制示意图。2-DG通过靶向己糖激酶（HK）来抑制糖酵解，从而限制正常葡萄糖的利用。该图由BioRender.com制作。 (B) 在0、2和5 mM 2-DG处理下，24小时后乳酸与总碳的比值结果。各组数据为平均值±标准误。单因素方差分析确定了组间统计显著性。2,16)=5.87,p=0.0123）。统计显著性标记为（**p < 0.01）。比值基于时间序列数据的累加计算得出。 (C) 每个处理组中均以一个代表性实验为例，展示超极化实验中NMR时间序列数据的总和。

图3、H2处理对人类精子速度的影响。十个精子悬液用H₂或N₂混合气体处理30分钟，然后使用显微镜记录10秒的精子运动时长视频。对照组与处理组之间未观察到显著差异。数据以均值±标准差（SD）表示。

图4、经H2处理后精子悬液的运动能力改善后的滞留时间。十二份精子悬液分别在30分钟内用H2或N2混合气体处理（第一次处理），然后在24小时后进行第二次处理，具体以卵裂情况为准。处理前后，将悬液置于室温空气环境中25°C下保存。计算指定时间点每1 mL精子悬液中运动精子的平均百分比。

图5、H₂处理对精子悬液线粒体膜电位的影响。六组精子悬液分别未处理（a）、用H₂或N₂混合气体处理（b和c），并使用MitoTracker Green（MTG）和TMRM（对线粒体及线粒体膜电位敏感的荧光染料）进行染色。同时展示了差分干涉对比（DIC）图像。条形图 = 10 μm。每组TMRM染色精子的荧光强度通过ImageJ软件进行半定量分析（d）。


结论与展望


本研究探讨了氢分子（H₂）在体外改善受损人类精子活力的潜力，为男性不育治疗提供了全新思路。精子活力是决定男性生育力的关键因素，而弱精子症可由精子发生异常、氧化损伤或细胞内 ATP 耗竭等多种原因引起；精子因富含不饱和游离脂肪酸、抗氧化酶不足且 DNA 修复能力有限，对氧化应激尤为敏感。氢分子作为宇宙中最小的分子，能够选择性中和毒性活性氧（尤其是羟自由基·OH），且可快速穿透包括线粒体和细胞核在内的所有细胞器膜，从而有效保护细胞免受氧化损伤。该研究利用接受试管婴儿治疗的男性不孕患者样本，通过两种模型开展实验。将精液悬液在室温下放置超过5天以诱导实验性损伤，采用射精后立即冷冻保存、随后复苏的冷冻-解冻精子。研究结论明确指出，H₂ 处理能够刺激低活力精子运动，且因其安全性高、副作用小，有望成为一种新型男性不育治疗工具；但要真正投入 IVF/ICSI 临床应用，后续仍需进一步验证 H₂ 处理精子的受精能力、胚胎发育影响及安全性。


在本研究中，Unisense氢气电极作为关键质控工具，用于监测氢分子处理时精子悬液的气体饱和状态。研究者将精子悬液放入暴露舱，通入含50% H₂的混合气体（对照组为含75% N₂），并使用Unisense针型传感器实时检测液相中H₂和O₂浓度。该设备具备微米级分辨率和秒级响应，可进行高灵敏度、原位、非破坏性检测。通过确认悬液充分饱和，它确保了每次处理的气体条件一致，排除了浓度波动干扰，为后续精子前向运动率提升、游动速度不变、线粒体膜电位增强等生物学效应提供了可靠的定量基础。Unisense氢微电极所获取的数据是连接氢气物理浓度与生物学响应的关键桥梁，强化了实验的可重复性和转化价值，使“氢分子选择性刺激低活力精子运动而不诱发超激活”的结论具备坚实的方法学支撑。